双馈风力发电机滑环、碳刷故障分析及解决措施探讨

文 | 钟绍辉，解京晶

滑环、碳刷装置是双馈异步风力发电机实现转子电流双向传输的关键部件。经统计，滑环、碳刷装置的故障率占比较高，经常造成电机无法启机、轴承损伤等故障。此类故障维修时间较长，损伤严重时需下架处理，给业主造成重大经济损失。因此提升滑环、碳刷装置的质量可靠性，对机组的安全、高效运行有着重要的意义。

本文对滑环的结构、工作原理做了简单阐述，主要介绍了滑环出现的各类型故障及相应的处理措施。

滑环、碳刷装置结构及功能

图1是双馈风力发电机滑环、碳刷装置的典型结构图，主要由导电环、刷架、刷握、碳刷、恒压弹簧等部件组成。导电环安装在电机主轴上，刷架系统固定在滑环室内，电机在高速旋转过程中，导电环与碳刷接触传导电流（其主要功能一方面是通过变频器为转子绕组提供励磁电流，另一方面是将转子绕组发出的电流引出，通过变频器反馈到电网上）。接地装置的作用是将电机转子产生的轴电流导出，避免轴承电蚀。

滑环、碳刷装置常见故障

（1）碳刷温度高，磨损快。

（2）滑环表面氧化膜损伤，环面有麻点、拉伤痕迹（图2）。

（3）碳刷与刷盒烧结，卡滞在刷盒中，刷盒有烧灼痕迹。

（4）碳刷磨损报警失效、报警开关触点断裂、恒压弹簧变色等。

引发故障的主要影响因素

一、滑环、碳刷冷却通风

滑环与碳刷在电机高速旋转中产生滑动电接触，滑动电接触的磨损形式主要分为电气磨损和机械磨损，这些磨损会产生大量的热量。如果不能及时有效地将这些热量带走，会造成滑环环面、碳刷温度急剧升高、氧化膜增厚、接触压降升高等不良影响。风力发电机滑环、碳刷装置安装在滑环室里面，滑环室的防护等级为IP23，空间比较封闭。因此，发电机滑环、碳刷运行中通风散热问题就显得尤其重要。

图1 滑环结构图

图2 环面损伤状况

风力发电机滑环冷却一般采用轴流风机、风扇或利用电机空冷器出风口风量对滑环、碳刷进行降温，同时将带有碳粉的空气排到机舱下部碳粉收集器中。因此，确保冷却风路通畅，才能达到冷却效果。

二、碳刷选型、安装

风力发电机目前大多采用的是进口品牌的碳刷，其品质比较可靠。选型方面应该注意的是与滑环导电环材质的匹配性问题（不同型号、不同厂家的电刷，其导电性和硬度存在差异。材质过硬，影响滑环和碳刷的动、静接触面，加大滑环摩擦，造成环面损伤；材质较软，电刷极易磨损，更换频繁，维护成本增加）。还有一方面就是针对不同环境采用不同材质的碳刷，一般情况下分为沿海型、平原型、高原型三类，针对风电机组不同运行环境选择适配牌号的碳刷较为合理。

碳刷安装在刷握中不能过紧或过松。太松会引起碳刷在刷握内振动，导致电刷接触不良；太紧会影响碳刷在刷握中的自由滑动，严重时会出现“卡死”现象，一般两者之间较为合理的间隙为0.1mm。同时注意刷握安装时要与滑环同心，避免出现碳刷偏磨现象。

三、恒压弹簧压力

恒压弹簧的作用是提供碳刷与滑环的接触压力，确保两者之间有效接触。当压力过小，虽然可以降低摩擦系数，减少机械磨损，但电气磨损却会大大增加，影响碳刷导电性能；反之，导电性能虽然增强，但碳刷磨损较快。因此碳刷压力要控制在一个合理的范围，一般风电用主碳刷为200cN/cm²±10%，接地碳刷为250cN/cm²±10%。但由于恒压弹簧长期在高温及振动下使用，压力衰减是不可避免的。因此针对使用期限较长的要做定期检测，确保压力合格。图3是对已使用5年的几组主碳刷恒压弹簧做的压力检测，有效值应为1600cN±10%，检测结果个别存在失效现象。

四、滑环径向跳动超差

滑环偏心、轴承故障、电机装配等因素很容易造成滑环径向跳动超差，使得碳刷与滑环表面接触不稳定，当碳刷的滑动接触出现进一步恶化，可能产生较大的火花，造成碳刷表面烧伤，破环氧化膜，加剧碳刷的磨损。超差严重电机发生振动时，不仅加剧机械磨损，甚至造成压簧疲劳断裂，碳刷破损、开裂，造成滑环烧损。

五、碳刷均流性

风力发电机转子电流值大，这就需要在同相上排布N个碳刷引流。由于碳刷材质、弹簧压力、接触电阻存在差异性，会导致碳刷之间电流值偏差较大，个别碳刷电密超过允许的最大值，造成碳刷发热严重，破坏氧化膜，导致环面烧损。

图3 压力测试结果

表1 机组运行环境

六、运行环境

风力发电机的运行环境几乎涵盖了各种气候条件（表1）。

在风力发电机的各种运行环境中，沿海及高原环境对滑环、碳刷的影响最大。这两类地区因空气中水份含量较大，尤其是高原环境下凝露现象严重，对滑环表面的氧化膜有很大的影响。据相关资料显示，当绝对湿度大于20g/m3时，由于空气湿度过大，会加剧氧化膜的形成，造成氧化膜增厚，碳刷接触压降升高，增加电气损耗。同时会使电刷产生过热、打火等现象，致使滑环烧损。因此在这两类地区对滑环室内部湿度的控制尤为重要。

七、维护

（1）滑环室中、刷握间隙及刷架上的碳粉积碳严重，造成爬电、打火，烧损碳刷。

（2）并网运行时，碳刷接触面不够，电密超标，出现发热、打火现象。

（3）碳刷报警开关损坏，造成碳刷磨损到限值后未及时报警，致使碳刷与滑环相蹭引发故障。

（4）滑环室下部碳粉过滤器中积碳严重，造成冷却风路堵塞，滑环室温度升高引发故障。

（5）接地碳刷刷辫接头联接松动、接地线断裂，造成碳刷烧损，电机轴电流没法有效导出，轴承电蚀。

处理方法及预防措施

根据以上分析的各种原因，结合风电场处理滑环故障的一些经验，应采取以下措施提升质量，减少故障。

一、滑环、碳刷设计选型

（1）碳刷材质要选用与导电环材质、电机工况、运行环境相匹配的，建议主碳刷选用铜石墨材质，接地碳刷选用浸渍银材质，具体牌号根据不同厂家选取市场应用成熟的。电密要在碳刷允许范围内，同时考虑电流不均的状况留有相应的裕量。

（2）滑环导电环材质选用马氏体不锈钢，采用调质处理增加硬度，提高耐磨性。沿海地区要采取防盐雾措施。金属材料机械性能满足电机工况，绝缘材料等级为F级。

二、滑环、碳刷装配

（1）对装配好的滑环用百分表检测径向跳动，一般不允许超过0.05mm。

（2）检测碳刷报警开关线通断，正常状况下为常闭合状态，避免出现碳刷磨损到限值后未及时报警状况。

（3）恒压弹簧要装配到位，检测弹簧压力，对超出标准压力范围的弹簧要及时更换。

（4）检查碳刷接触面是否合格，刷辫是否有断股，接头是否良好。刷辫与刷架联接是否牢固，接触部位是否清洁，防止碳刷与滑环刷架连接处接触不良。

（5）检查刷握与滑环环面的距离（间距应为2.5～3mm）、刷握与滑环是否同心及碳刷与刷握间隙是否合格。

（6）检查接地碳刷刷辫、接地线是否联接可靠，接触面是否清洁。

三、风电场维护

（1）更换碳刷后必须先要用100号砂纸预磨接触面，让电机空转约30分钟继续磨合接触面，达到80%以上才可以并网运行。更换接地碳刷时如果是双拼结构的，要按照电机旋转方向，碳刷滑入端是含碳的一侧，滑出端为含银的一侧，遵循先润滑后导电的原则。

（2）同一台电机上碳刷牌号必须与厂家要求的一致，绝对不允许不同牌号、不同批次的碳刷混装。

（3）对于滑环表面有麻点、凸点的，用油石先打磨掉大的凸起点，然后用0号抛光砂纸进行打磨，直到滑环表面恢复光滑方可。若损伤严重，建议拆下来对环面进行加工处理，加工时要控制滑环内孔与外圆同轴度在0.03mm以内、环面粗糙度Ra在0.8～1.2μm后再安装使用。

（4）定期清理滑环室、滑环表面、刷架、刷握缝隙积落的碳粉，避免积碳严重。滑环环面保持清洁，无油污与附着物。

（5）定期更换碳粉收集器中的滤棉，保持滑环室冷却风路通畅。

（6）对于高原、近海环境下湿度大、气温低的地区，长时间停机情况下，电机运行前要开启滑环室中的加热器进行加热，避免滑环表面出现凝露现象，引发滑环、碳刷打火问题。

图4 2013－2017年滑环故障率

实施效果

通过以上措施的实施，滑环故障率出现明显降低，风电机组的有效利用率也得到了明显提高。

结论

本文通过对滑环的结构介绍，从冷却通风、碳刷选型/安装、恒压弹簧压力、滑环径向跳动超差、碳刷均流性、运行环境、维护等七方面对滑环、碳刷故障进行了分析，并给出了相应的处理措施，在实际运行中取得了良好的效果。

由于风电运行环境恶劣、现场维护不到位等原因，对影响滑环、碳刷正常运行的一些不利因素还无法控制到理想的状态，需要进一步采取措施，提升产品质量及维护水平，保证风电机组的高效运行。